[논문 리뷰] Hypervelocity Stars in the Gaia era. Revisiting the most extreme stars from the MMT survey

S. Kreuzer, A. Irrgang외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 28.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 88인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 Gaia DR2 천체 운동학 자료, 재분석된 적외선 속도, 스펙트로포지오메트릭 거리 등을 사용하여 MMT HVS 조사에서 가장 극단적인 초광속 항성(HVSs)을 재분석하여 3차원 운동학 및 기원을 규명한다. 그 결과, 은하 중심에서 힐스 메커니즘을 통해 탈출한 것으로 가장 가능성 높은 HVS 22는 은하계 기준 속도가 1530⁺⁶⁹⁰₋₅₆₀ km s⁻¹이며, 나머지 대부분의 HVS들은 은하 중심이 아닌 은하 디스크 또는 그 외곽에서 유래한 것으로 나타났다.

ABSTRACT

The hypervelocity star (HVS) survey conducted at the Multiple Mirror Telescope (MMT) identified 42 B-type stars in the Galactic halo whose radial velocity in the Galactic rest-frame exceeds $+275\,$km$\,$s${}^{-1}$. In order to unravel the nature and origin of those high-velocity outliers, their complete six-dimensional phase space information is needed. To this end, we complemented positions and proper motions from the second data release of {\it Gaia} with revised radial velocities and spectrophotometric distances that are based on a reanalysis of the available MMT spectra of 40 objects using state-of-the-art model spectra and a tailored analysis strategy. The resulting position and velocity vectors for 37 stars were then used as input for a subsequent kinematic investigation to obtain as complete a picture as possible. The combination of projected rotational velocity, position in the Kiel diagram, and kinematic properties suggests that all objects in the sample except two (B576, B598) are very likely to be main sequence stars. While the available data are still not precise enough to constrain the place of origin for 19 program stars, we identified eight objects that either come from the outer rim of the Galactic disk or not from the disk at all, along with ten that presumably stem from the Galactic disk. For almost all of those 18 targets with more or less well-constrained spatial origin, the Galactic center (GC) is disqualified as a possible place of origin. The most notable exception is B576, the origin of which coincides extremely well with the GC when assuming a blue horizontal branch (BHB) nature for it. HVS$\,$22 is by far the most extreme object in the sample. Although its origin is completely unconstrained, an ejection from the GC by the Hills mechanism is the most plausible explanation for its current Galactic rest-frame velocity of $1530^{+690}_{-560}\,$km$\,$s${}^{-1}$.

연구 동기 및 목표

• Gaia DR2 천체 운동학 자료와 재분석된 적외선 속도를 사용하여 MMT HVS 조사에서 유래한 40개의 초광속 항성(HVSs)의 3차원 위상공간 운동학을 규명한다.
• 투영 회전 속도, 킬 다이어그램 내 위치 및 운동학적 성질을 이용하여 HVS들의 진화 상태를 분류한다.
• 완전한 6차원 위상공간 정보를 사용하여 과거로의 궤도 역추적을 통해 각 HVS의 기원을 제약한다.
• 특히 힐스 메커니즘이 극단적인 속도를 생성할 수 있다는 이론적 잠재력을 감안할 때, 은하 중심이 HVS들의 타당한 기원인지 테스트한다.
• 은하 디스크 및 대마젤란 운성과 같은 외성계 기원과 같은 대안 기원의 타당성을 평가한다.

제안 방법

• 최신 모델 대기체를 사용하여 MMT 스펙트럼을 재분석하여 도출된 재분석된 적외선 속도와 Gaia DR2의 위치 및 운동량을 통합한다.
• 개선된 정확도를 확보하기 위해 특화된 분석 전략을 사용하여 40개의 HVS에 대해 스펙트로포지오메트릭 거리를 계산한다.
• 37개의 별에 대해 완전한 6차원 위상공간 벡터(위치 및 속도)를 구성하여 뒤로 방향 궤도 통합을 가능하게 한다.
• 운동학 모델링 및 궤도 통합을 사용하여 HVS의 궤도를 추적하고 은하 중심 및 은하 디스크를 포함한 가능한 기원을 평가한다.
• 투영 회전 속도 및 킬 다이어그램 내 위치를 기반으로 항성들을 주계열, BHB, 기타 유형으로 분류한다.
• 초광속 항성 HVS 22의 관측 속도를 초거대 블랙홀에서의 이론적 탈출 속도와 비교하여 힐스 메커니즘의 타당성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 재분석된 분광학적 및 광학적 파rameters를 기반으로 MMT 조사에서 유래한 40개의 HVS들의 진정한 성격(주계열, BHB 등)은 무엇인가?
• RQ2 HVS들은 주로 은하 디스크, 그 외곽, 또는 은하 중심에서 기원했는가?
• RQ3 특히 기록적인 속도를 보이는 HVS 22와 같이 극단적인 속도를 갖는 HVS들에 대해 은하 중심이 타당한 기원이 될 수 있는가?
• RQ4 특히 일부 항성에 대해 운동량 제약이 부족한 상황에서도 힐스 메커니즘이 관측된 속도를 설명할 수 있는가?
• RQ5 HVS들의 운동학적 성질은 이중성 초신성 및 천체역학적 탈출 메커니즘의 예측과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• B576와 B598를 제외한 모든 HVS들은 그들의 투영 회전 속도와 킬 다이어그램 내 위치를 바탕으로 매우 주계열 항성일 가능성이 높다.
• 아스트로메트릭 정밀도가 부족하여 19개 항성의 기원은 여전히 제약되지 않았지만, 18개 항성의 기원은 상대적으로 잘 제약되었다.
• 8개의 HVS는 은하 디스크의 외곽 또는 디스크 외부에서 기원한 것으로 추정되며, 10개는 디스크 기원과 일치한다.
• 은하 중심은 거의 모든 HVS들에 대해 기원으로서 배제되었지만, B576는 청색 수평기저성 항성일 경우 은하 중심과 매우 우수한 공간적 일치를 보인다.
• 은하계 기준 속도가 1530⁺⁶⁹⁰₋₅₆₀ km s⁻¹인 HVS 22는 가장 극단적인 물체이며, 은하 중심에서 힐스 메커니즘을 통해 탈출한 것으로 가장 가능성이 높다.
• 이 연구는 전통적인 탈출 메커니즘(이중성 초신성, 천체역학적 탈출)이 약 500 km s⁻¹ 이상의 속도를 설명할 수 없음을 확인하여, 가장 극단적인 HVS들에 대해 힐스 메커니즘의 필요성을 재확인한다.